电子科学及其技术与导论3

第九章微波器件与微波集成电路“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《电子信息科学与技术导论》第三版

前言本章与第三章有一定的联系，第三章侧重介绍电磁波的基本概念与应用，本章侧重介绍微波器件和微波电路，尤其是微波集成电路。“电磁场与微波技术”是在“电子科学与技术”一级学科下设立的二级学科；该学科涉及电磁场理论、微波（毫米波）技术、器件及其应用，包括电磁波和微波的产生、放大、发射、接收、测量、传输、控制及应用技术，以及环境电磁学、电磁兼容等交叉学科的内容。由于微波设备的应用十分广泛，尤其在国防军事领域，它是信息化武器中的重要技术，国民经济和国防建设都需要掌握掌握微波理论与技术，能从事微波电路、设备的研究、设计和生产的大量科技人员。雷达和通信是微波技术应用的两个重要领域。微波集成电路在微波信号处理和微波设备中具有特别重要的地位。第九章微波器件

与微波集成电路9.1概述9.2微波元器件9.3微波天线9.4平面微波电路9.5微波电路与系统设计工具简介9.6我国微波集成电路发展状况9.1概述9.1.1微波的特性3穿透性：微波能深入到某些物体内部或者穿透物体，这和可见光不同，和某些射线相同（微波可以透过塑料、木板、植被、积雪和地表层等，其穿透能力与波长有关）。4共渡性：电子在真空管内的渡越时间（10-9秒左右）与微波的振荡周期相当，因而控制电子的渡越时间，可使电子能量转换成微波能量。6微波参数可控性：微波信号的频率、相位等能够控制。利用这一特性可让微波信号承载大量的信息。5非电离性：微波在穿透物体时不会改变物质分子的内部结构或破坏分子的化学键。1似光性：微波的传播特性和几何光学相似，能像光线一样直线传播；当照射到地球上的一般物体上时，会产生反射、折射。微波的特性1，主要应用领域雷达通信导航大地测量气象微波集成电路应用射电天文工业检测医疗遥感通信、雷达是应用最广的领域。

9.1.2微波集成电路的应用2，应用实例微波集成电路已成为当前民用电子设备，如移动通信、无线通信、卫星通信、全球定位系统、直播卫星电视和毫米波自动防撞系统等的基本电子器件，已形成了飞速发展的巨大市场。微波集成电路是发展各种高科技武器的重要支柱，已广泛用于各种先进的战术导弹、电子战、测控系统、陆海空基的各种先进的相控阵雷达（特别是机载和星载雷达）等。9.1.3微波电路的发展微波成为一门独立的科学技术，开始于20世纪30年代，成熟于第二次世界大战之后60、70年代。1，微波电路的发展历程由波导传输线及器件、谐振腔和微波电子管（包括速调管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虚阴极振荡器等）等组成。（1）20世纪40年代分立微波电路由微带元件、集总元件、微波固态器件等无源微波器件和有源微波器件，利用扩散、外延、沉积、蚀刻等制造技术制作在一块半导体基片上的微波混合集成电路。（2）60年代初微波混合集成电路（3）70年代单片微波集成电路单片微波集成电路（MMIC）比混合微波电路HMIC体积更小、寿命更长、可靠性高、噪声低、功耗小、工作的极限频率更高，是当前微波电路发展的主要潮流。2.MMIC与微机电系统（MEMS）结合

MMIC技术需采用多层集成电路工艺，利用多层基片内实现几乎所有的无源器件和芯片互联，构成三维多层微波集成电路结构。建立在多层互连基片上的MCM（Multi-ChipModel）技术使微波/毫米波系统的尺寸变得更小。组装芯片的层数越多，微波设备的体积就可以做得越小。由于多层芯片组装工艺推动，促成了MMIC和微机电的结合。

利用MEMS技术可以使无线通信设备中的外接分立元件达到微型化、低功耗及可携带性的要求。MEMS可实现宏观机械上的三维结构，使以前的无源器件的小型化成为可能，同时将版图面积大幅度缩小，另外更加容易集成；MEMS和MMIC技术相结合制成一种结合两种技术优点的器件或电路已成为一种趋势，它是当前电子信息系统向微小型化、多样性和多功能化的发展方向。9.2微波元器件9.2.1

分立微波元器件1，无源器件20世纪60~70年代，主要采用由铜或者铝制作的方形波导、圆形波导。环形隔离器（用于收、发两方向信号隔离）双脊波导可调衰减器移相器可调衰减器2，有源器件微波电真空器件行波管放大器磁控管微波晶体管二、微波元器件3，波导中的电磁波电磁波能量在波导内以一定的“模式”传输，波导尺寸与模式有关。矩型谐振腔中电力线、磁力线分布示意波导外面没有电磁波。9.2.2微带元器件1，原理带状传输线（双传输线）微带传输线（单传输线）微带线基本结构型式有两种：微带传输线和带状传输线。微带线是单接地板固体介质传输线，带状线是双接地板空气或固体介质传输线。2，器件微带线匹配有源功率放大器30GHZ微带毫米波耦合电路印制电路板上微带线（1）滤波器。利用微带线理论可以设计微波带通滤波器。根据基片厚度、介质厚度、介电常数等参数设计好结构样图后，利用扩散、外延、沉积、蚀刻等工艺制造。（2）用于微波集成电路。从90年代开始，微带电路已开始在3mm波段用在微波集成电路中，当今已进入1mm波段。微带集成的毫米波子系统和系统已经大量用于实际工程。说明：由于所用材料、工艺都不同于半导体集成电路，因而微波集成电路和半导体集成电路是两类产品，不可等同。微带电路是微波电路集成化、固态化、小型化的基础。应重视其理论、设计与制造工艺的开发，它关乎国防现代化。3，微带器件的应用9.3微波天线9.3.1微波抛物面多种形式的抛物面天线9.3.2微波缝隙天线原理图雷达平板缝隙天线实物9.3微波天线缝隙天线应用飞机高速舰艇导弹飞船雷达缝隙天线应用缝隙天线外有保护层，不易发现。9.3.3微带天线与蒙皮天线微带天线可用于1GHz~50GHz。主要优点：剖面薄、体积小、重量轻、易于结构造型、易集成、成本低和容易制作等。微带天线结构手机中的蒙皮天线9.3.4新型微波天线智能天线功能原理示意智能天线实例1，智能天线智能天线可以实现开关波束转换，可以自适应地调整最强波束方向，还可以自适应实现多波束最佳的通信方式。目前智能天线技术正处在完善、智能、自适应调整的发展应用阶段。第三代移动通信：TD-SCDMA推动了智能天线技术的发展。2.等离子天线等离子天线单元等离子天线阵等离子天线外观与荧光灯管相似。用一种充满电离气体的管子代替传统金属来发送和接收无线电波。通过控制等离子体的形态和强度可以对天线带宽、频率、增益和方向性等特性进行控制。能像金属天线一样工作在某一波段，而效率更高、体积更小。在关闭等离子后，它们并不会反射雷达信号，从而保证其在军事应用中不被暴露，这是低频金属天线很难做到的。等离子天线技术正在研究发展中。9.4平面微波电路9.4.1混合微波集成电路微波混合集成电路有：微带混频器、微波低噪声放大器、功率放大器、倍频器、相控阵单元等各种宽带微波电路。实物图混合微波集成电路内部结构

小结

与分立微波元件相比，混合微波集成电路可以大大减小微波器件的体积。但由混合微波集成电路构成的设备仍大，各单元间的连接严重影响了设备的可靠性。随着集成电路的工作频率不断向微波高端延伸，推动了单片微波集成电路的发展和成熟。9.4平面微波电路9.4.2单片微波集成电路

MMIC的制作过程与一般半导体IC有相似之处，需经过版图设计、制作、测试与封装等阶段。但MMIC的设计、制作工艺和封装都与一般半导体IC不同。1.MMIC的版图8~11GHZ功率放大级芯片版图激励放大器芯片布线功率控制电路芯片布线功率放大器板图与实物2.MCM封装（1）封装技术重要性：封装技术是实现微波器件小型化的重要手段。采用多芯片组件（MCM—Multi-ChipModule），可以省去MMIC之间的高频接头，进一步实现小型化。多芯片组装是微波集成电路技术中的一项革命性创新，该技术对微波电子信息产品发展的影响无法估量。（2）封装材料：MCM用于微波组件封装具有特别的技术难度。近年发展了一种低温共烧陶瓷（LTCC—LowTemperatureCo-firedCeramics）的三维微波多层结构组件技术，它通过微波传输线（如微带线、带状线、共面波导）、逻辑控制线和电源线的混合信号设计，将单片微波集成电路MMIC芯片与收/发模块组合在同一个三维微波多层结构组件中。MMIC芯片组件LTCC封装结构示意MMIC芯片组件封装结构示意MCM封装技术可实现微波组件的三维结构，缩小了体积，提高了设备可靠性。该技术已从军用向民用扩展，如汽车雷达（76GHz-77GHz的MMIC模块）巡航控制、无线局域网收/发模块、通信网络组件、蓝牙收/发模块和天线开关模块、手机微波模块等设备中。9.5微波电路与系统

设计工具简介一、以Virtuoso模拟/数字混合射频仿真软件为例，简介版图设计第一步，根据设备指标需求，拟定系统组成框图（以5.25GHz典型高频收发系统为例）给出各单元电路的性能指标及各单元的电原理图。典型射频收发系统原理电路第二步，射频收发系统的整体电路仿真各单元电路位置布局系统芯片测试点设置把所有模块连成系统，加上衬垫、静电保护等构成一个完整的芯片系统。设置测试点，对这个系统加上激励信号，观察输出，进行仿真测试。第三步，输出版图，并进行后仿真单片射频收发芯片版图后仿真包括：全面测试系统性能、干扰、稳定性等。观察各项指标是否符合预定要求。后仿真是系统级仿真。在各项指标符合要求后，可进行下一步生产版图的设计。通常生产版图是由生产厂完成。版图设计（电路仿真）是一个反复进行的过程，其中包括修改单元电路方案、调整元件参数、版图布局等，最终才能达到系统的整体优化。小结微波电路的设计仿真软件是电子信息系统、器件或单元电路模块设计广泛采用的工具，这不仅可大大提高设计效率、质量，同时也是技术工作方式的变革：懂得系统原理，具有实际知识，会使用仿真软件，就可以设计出系统。了解电路设计工程实际中的这一状况，应有助于大学专业课程的学习与能力培养。传统的设计方法已经不能满足微波电路设计的需要,使用微波EDA（ElectronicDesignAutomation）软件工具进行微波元器件与微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。

二、微波电路设计的发展趋势电路的尺寸要求越做越小电路的功能越来越多对电路的指标要求越来越高系统的设计越来越复杂设计周期越来越短微波EDA工具是电磁场理论数学方程求解的计算机程序化。学好“高等数学”将有助于从事创新设计软件工具开发。

三、常用设计仿真软件1，基于矩量法的微波仿真软件ADS仿真软件Sonnet仿真软件

ZelandIE3D仿真软件MicrowaveOffice软件Ansys公司的FEKO软件nsoftDesigner2，基于时域有限差分法的微波仿真软件ZelandFIDELITY仿真软件IMSTEmpire仿真软件

XFDTD仿真软件3，其它微波仿真软件AnsoftHFSS有限元的微波仿真软件时域积分法（FITD）仿真软件模拟/数字混合射频仿真软件（Virtuoso）仿真软件众多，这是当前电子系统工程师的最重要的设计工具之一。开发具有自主知识产权的微波仿真设计软件，己成当务之要。9.6我国微波集成电路

状况在“十二五”和“十三五”（2016—2020）期间，我国一直将发展微波集成电路技术作为重点攻关方向。微波技术和微波集成电路关系我国高端国防电子信息系统的国家安全，是国家的战略性装备。据《2020年版中国微波电路行业发展研究报告》显示：国内从事微波电路研究开发单位有近百家。在军事、雷达、航空航天、电子对抗、卫星、北斗导航等系统中采用的是全国产微波电路。我国与国外差距，主要在民用微波集成电路方面。当前（2020年）我国从事半导体及微波集成电路行业的人数